基于自適應(yīng)下垂控制的微電網(wǎng)控制策略研究

唐昆明，王俊杰，張?zhí)?/p>

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2.重慶新世紀(jì)電氣有限公司，重慶 400030)

基于自適應(yīng)下垂控制的微電網(wǎng)控制策略研究

唐昆明1，王俊杰1，張?zhí)?

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400044；2.重慶新世紀(jì)電氣有限公司，重慶 400030)

感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的起動和功率變化對微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時的電能質(zhì)量及功率平衡影響較大，因此提出了一種自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制方法。該方法在傳統(tǒng)下垂控制中引入暫態(tài)分量、功率與下垂系數(shù)的一次函數(shù)項(xiàng)，以改善下垂控制的動態(tài)性能和均流效果。針對含有感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的微電網(wǎng)，采用基于分層控制結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制和 PQ 控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略。利用 PSCAD/EMTDC 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提自適應(yīng)下垂控制方法的正確性和微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷；PQ 控制；改進(jìn)下垂控制；PSCAD/EMTDC

0 引言

微電網(wǎng)是由微電源、負(fù)荷、儲能裝置及控制裝置等結(jié)合而形成的一個獨(dú)立可控系統(tǒng)[1-2]。針對微電源的不同類型和微電網(wǎng)靈活的運(yùn)行方式，并考慮到負(fù)荷的需求，需要對微電網(wǎng)進(jìn)行源荷協(xié)調(diào)控制，即將微電源和負(fù)荷均作為可調(diào)度的資源參與電力供需平衡控制[3]。文獻(xiàn)[4-5]采用基于動態(tài)虛擬阻抗的自適應(yīng)下垂控制策略，減小了引入虛擬阻抗而導(dǎo)致電壓的下降過大；文獻(xiàn)[6]研究了交直流混合微電網(wǎng)在蓄電池平抑作用下的運(yùn)行控制策略；文獻(xiàn)[7]采用電壓-相角下垂控制代替電壓-頻率下垂控制，但只研究了孤島運(yùn)行的情況；文獻(xiàn)[8]針對光伏發(fā)電的特點(diǎn)，提出一種P/U下垂控制方法，抑制光伏電源并網(wǎng)時的暫態(tài)過電壓；文獻(xiàn)[9]引入d軸與q軸電壓的比值rat，提出了P/U、Q/rat下垂控制策略；文獻(xiàn)[10]提出一種改進(jìn)的魯棒下垂控制方法，但該方法只適用于線路阻抗呈阻性的情況；文獻(xiàn)[11]提出一種通過組網(wǎng)電源的功率裕度調(diào)整微電源下垂系數(shù)的自適應(yīng)下垂控制方法；文獻(xiàn)[12]在下垂控制中引入電網(wǎng)參數(shù)的估計值和功率參考值，文獻(xiàn)[13]在P/f下垂控制中引入自適應(yīng)最小均方環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了下垂控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

目前微電網(wǎng)控制策略的研究著重于對逆變器的控制和微電網(wǎng)的運(yùn)行控制，負(fù)荷多采用恒阻抗(Z)、恒電流(I)或恒功率(P)等靜態(tài)負(fù)荷模型，較少考慮到負(fù)荷采用動態(tài)模型對微電網(wǎng)的影響，但動態(tài)負(fù)荷對微電網(wǎng)尤其是孤島運(yùn)行時微電網(wǎng)有較大影響。而實(shí)際微電網(wǎng)中感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷在總的負(fù)荷中占有不可忽略的比例，因此典型的動態(tài)負(fù)荷模型——感應(yīng)電動機(jī)模型是研究動態(tài)負(fù)荷對微電網(wǎng)影響的理想模型。文獻(xiàn)[14]對感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的機(jī)械特性和穩(wěn)定特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[15]研究了電動機(jī)負(fù)荷起動及功率變化對微電網(wǎng)暫態(tài)的影響。

針對感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷在起動和功率變化過程中需要大量有功和無功功率，進(jìn)而引起微電網(wǎng)(特別是微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時)電壓頻率波動及微電源間功率分配失準(zhǔn)的問題，本文提出了一種自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制方法，引入暫態(tài)分量、功率與下垂系數(shù)的一次函數(shù)項(xiàng)，改善下垂控制的動態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)微電源間合理的功率分配；并在此基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制和PQ控制相結(jié)合的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。利用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

本文采用的微電網(wǎng)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure diagram of microgrid

本文采用分層控制作為微電網(wǎng)的整體控制策略，微電網(wǎng)中央控制器(Microgrid Central Controller，MGCC)作為上層控制器對微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制，實(shí)時監(jiān)測PCC兩端的電壓、電流、頻率等電氣信號，并負(fù)責(zé)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的通信；負(fù)荷控 制 器 (Load Controller) 和 微 電 源 控 制 器(Microsource Controller)作為底層控制器，實(shí)時監(jiān)測負(fù)荷和微電源的運(yùn)行狀態(tài)，對負(fù)荷和微電源進(jìn)行控制；LC和MC從屬于MGCC，三者之間通過可靠的通信連接。

在圖1中，三個微電源均和儲能裝置相連，其逆變器直流側(cè)電壓基本保持不變，可以等效為直流電源。微電源1、2的接口逆變器采用本文所提的自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制，微電源3的接口逆變器采用PQ控制。負(fù)荷為一定比例的ZIP負(fù)荷和感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷組成，接在微電網(wǎng)交流母線上。

2 自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制

2.1 傳統(tǒng)下垂控制

傳統(tǒng)的下垂控制為

傳統(tǒng)的下垂控制是一種有差調(diào)節(jié)，沒有考慮電壓和頻率的恢復(fù)問題。在感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷啟動及功率變化的過程中，伴隨著無功功率及有功功率的波動，進(jìn)而影響微電網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定。

2.2 引入暫態(tài)分量

圖2 微電源與交流母線間功率傳輸示意圖Fig. 2 Power transmission between MS and AC bus

此時，微電源輸出的有功功率和無功功率分別為

由式(2)和式(3)可得：

在工作點(diǎn)對式(4)兩邊微分可得：

由式(5)可知，當(dāng)功率變化時，微電源的輸出角頻率和系統(tǒng)角頻率之間會產(chǎn)生偏差；同理，微電源輸出電壓的相角變化時會導(dǎo)致輸出功率的振蕩。因此當(dāng)負(fù)荷功率波動時，可引入輸出電壓相角的微分負(fù)反饋以減小相角偏差，從而減小輸出功率的振蕩。又，故在傳統(tǒng)頻率下垂控制中引入暫態(tài)分量將有功下垂控制改進(jìn)為。同理在電壓下垂控制中也引入暫態(tài)分量，引入暫態(tài)分量后傳統(tǒng)下垂控制改進(jìn)為

當(dāng)功率穩(wěn)定時，式(6)中的暫態(tài)分量為0，即為傳統(tǒng)下垂控制；當(dāng)功率變化時，引入的暫態(tài)分量有利于消除功率的振蕩和降低功率控制的滯后性。

2.3 引入功率與下垂系數(shù)的一次函數(shù)項(xiàng)

圖3 兩個微電源間功率分配示意圖Fig. 3 Power sharing between MS1 and MS2

由式(3)可得：

聯(lián)立式(7)和式(8)可得

將傳統(tǒng)下垂控制方程代入式(9)，并對分母部分簡化后可得

同理，由式(2)可得：

其中，C為常數(shù)。

式(10)和式(11)表明傳統(tǒng)下垂控制的功率分配與下垂系數(shù)、線路參數(shù)和負(fù)荷情況有關(guān)。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生波動時將導(dǎo)致功率分配發(fā)生變化，故傳統(tǒng)下垂控制可能存在功率分配失準(zhǔn)的問題，此時需增大下垂系數(shù)以減小功率分配的偏差。但下垂系數(shù)過大，又將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在負(fù)荷發(fā)生波動時，固定的下垂系數(shù)難以同時實(shí)現(xiàn)較好的功率均分和系統(tǒng)穩(wěn)定。由式(10)和式(11)可知，下垂系數(shù)可表達(dá)為輸出功率的函數(shù)，當(dāng)線路參數(shù)和負(fù)荷不變時，為減少計算量，引入功率與下垂系數(shù)的一次函數(shù)項(xiàng)，使功率與下垂系數(shù)的乘積在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)下垂系數(shù)根據(jù)功率變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，故改進(jìn)的下垂控制為

2.4 自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制

結(jié)合式(6)和式(12)，本文所提的自適應(yīng)下垂控制如式(13)。

2.5 自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制參數(shù)取值

2.5.1 md、 nd的取值

對式(2)和式(3)建立其小信號模型，可得：

聯(lián)立式(14)和式(15)可得：

則平均功率為

將式(17)帶入式(18)，整理后可得：

其中

對引入功率與下垂系數(shù)一次函數(shù)項(xiàng)的下垂控制方程式(12)，以取值為例進(jìn)行分析，的取值方法類似。取不同數(shù)值時，自適應(yīng)有功下垂曲線如圖4所示。其中，為逆變器輸出額定功率。

圖4 取不同數(shù)值時自適應(yīng)下垂曲線對比Fig. 4 Adaptive droop curves with different value of

3 微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略

并網(wǎng)運(yùn)行時，圖1中微電源1、2逆變器采用改進(jìn)的下垂控制；微電源3逆變器采用PQ控制；感應(yīng)電動機(jī)起動時吸收的無功由大電網(wǎng)提供。

大電網(wǎng)故障或微電網(wǎng)計劃孤島時，微電網(wǎng)運(yùn)行模式由并網(wǎng)切換至孤島。由于微電源1、2逆變器在并網(wǎng)時采用自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制，故切換過程不需要改變微電源的控制方式。

孤島運(yùn)行時，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開連接，微電源1、2作為主控單元來維持微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，其逆變器采用自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制，微電源3逆變器仍然采用PQ控制。感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷吸收的無功功率由微電源1、2共享。

當(dāng)孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)需要并網(wǎng)運(yùn)行時，MGCC檢測微電網(wǎng)的頻率、電壓幅值和相角，若均滿足并網(wǎng)條件，則PCC斷路器合閘，MGCC執(zhí)行并網(wǎng)控制策略并向各MC下發(fā)功率控制參考值。在并網(wǎng)過程中，如某個并網(wǎng)條件不滿足，則不能并網(wǎng)，由MGCC調(diào)整微電源出力(如增發(fā)無功功率)并持續(xù)檢測電壓、頻率、相位，直至滿足并網(wǎng)條件。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與算例分析

本文采用PSCAD/EMTDC軟件搭建如圖1所示的微電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。感?yīng)電動機(jī)負(fù)荷參數(shù)詳情見參考文獻(xiàn)[16]；微電源1逆變器的下垂控制系數(shù)為

微電源2逆變器的下垂控制系數(shù)為

算例1：微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷額定功率為75 kW，在5 s時空載起動，10 s時功率從零增加至額定功率；微電源1、2、3均按各自的功率參考值輸出設(shè)定的有功和無功功率。仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可知，感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷在起動過程中無功需求很大，此時負(fù)荷點(diǎn)的電壓幅值下降較大(如圖5(c)所示)。圖5(b)表明系統(tǒng)頻率除了在電動機(jī)起動和功率變化過程中有一定的振蕩外，維持在50 Hz不變。由圖5(d)和圖5(e)可知，在電動機(jī)負(fù)荷起動和功率變化時，微電源1、2都會增加輸出的無功功率以滿足其需求，而輸出的有功功率基本不發(fā)生變化。由圖5(f)可知，采用PQ控制的微電源3，其輸出功率基本保持為參考功率不變。

圖5 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時的仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results of grid-connected microgrid

在算例1中，對微電源1、2采用傳統(tǒng)的下垂控制方法進(jìn)行仿真，其他參數(shù)保持不變，其輸出情況如圖6所示。

圖6 算例1中微電源1、2采用傳統(tǒng)下垂控制時的輸出功率Fig. 6 Simulation results of MS1 and MS2 operating in traditional droop control in case 1

對比圖5和圖6中微電源1、2的輸出功率可以看出，與傳統(tǒng)下垂控制相比，采用本文所提出的自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制的微電源1、2，其輸出功率的震蕩幅值更小，動態(tài)響應(yīng)時間更快，動態(tài)過程更為平滑，輸出功率在動態(tài)后保持穩(wěn)定，功率分配更為合理，更好的實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)在感應(yīng)電動機(jī)起動和功率變化下的功率平衡。

算例2：微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷額定功率為75 kW，在5 s時空載起動，10 s時功率從零增加至額定功率；其他仿真參數(shù)同算例1。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 微電網(wǎng)孤島時的仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results of islanded microgrid

由圖7仿真結(jié)果可知，感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷起動及功率變化的過程中，所需的有功和無功功率由微電網(wǎng)中采用自適應(yīng)下垂控制的微電源1、2共享。結(jié)合圖7(b)、圖7(d)和圖7(e)可以看出，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時的頻率隨微電源1、2的有功功率的變化而變化。由圖7(d)和圖7(e)可知，在感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷起動過程中，無功需求很大，微電源1、2輸出的無功功率將發(fā)生較大增加。由圖7(f)可知，采用PQ控制的微電源3輸出的功率基本維持為參考功率。

在算例2中，對微電源1、2采用傳統(tǒng)的下垂控制方法進(jìn)行仿真，其他參數(shù)保持不變，其輸出情況如圖8所示。

圖8 算例2中微電源1、2采用傳統(tǒng)下垂控制時的輸出功率Fig. 8 Simulation results of MS1 and MS2 operating in traditional droop control in case 2

對比圖7和圖8中微電源1、2的輸出功率可以看出，本文所提出的自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時亦可達(dá)到在并網(wǎng)運(yùn)行時的動態(tài)性能和均流效果。

算例3：仿真開始時微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷額定功率為75kW，5s時切換至孤島運(yùn)行，其他仿真參數(shù)同算例1。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 微電網(wǎng)由并網(wǎng)切換至孤島時的仿真結(jié)果Fig. 9 Simulation results of grid-connected microgrid change to islanded

由圖9(a)和圖9(b)可知，在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行后系統(tǒng)的電壓幅值和頻率均略有下降，此時微電網(wǎng)的頻率和電壓由采用自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制的微電源1、2維持。圖9(c)和圖9(d)表明，當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行后，微電源1、2輸出的有功功率均增加，微電源1輸出的無功功率減小，微電源2輸出的無功功率增加，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷功率共享。圖9(e)表明采用PQ控制的微電源3的輸出功率基本維持為參考功率。

在算例3中，對微電源1、2采用傳統(tǒng)的下垂控制方法進(jìn)行仿真，其他參數(shù)保持不變，其輸出情況如圖10所示。

圖10 算例3中微電源1、2采用傳統(tǒng)下垂控制時的輸出功率Fig. 10 Simulation results of MS1 and MS2 operating in traditional droop control in case 3

對比圖9和圖10中微電源1、2的輸出功率可以看出，本文所提出的自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換過程中，與傳統(tǒng)下垂控制相比，其輸出功率的震蕩幅值更小，動態(tài)響應(yīng)時間更快，動態(tài)過程更為平滑，功率分配更為合理。

5 結(jié)語

本文針對微電網(wǎng)電壓頻率協(xié)調(diào)控制中，感應(yīng)電動機(jī)的負(fù)荷特性可能導(dǎo)致的微電網(wǎng)電壓頻率波動及微電源間負(fù)荷分配失準(zhǔn)的問題，提出了一種自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制。在此基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制和PQ控制相結(jié)合的分層控制策略對微電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。利用PSCAD/EMTDC進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明：(1) 在自適應(yīng)暫態(tài)下垂控制中，暫態(tài)分量的引入減小了動態(tài)響應(yīng)時間，降低了輸出功率的震蕩幅值，改善了下垂控制的動態(tài)性能；(2)功率與下垂系數(shù)一次函數(shù)項(xiàng)的引入提高了負(fù)荷變化時微電源間的功率分配精準(zhǔn)度，改善了均流效果；(3) 所采用的協(xié)調(diào)控制策略可實(shí)現(xiàn)含感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島模式下的功率平衡，亦可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的順利切換。

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(編輯 張愛琴)

Research on control strategy for microgrid based on adaptive droop control

TANG Kunming1, WANG Junjie1, ZHANG Taiqin2
(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Chongqing New Century Electric Power Corporation, Chongqing 400030, China)

The start and power change of induction motor load have a big influence on voltage, frequency and power balance of microgrid, especially of islanded microgrid. So an adaptive-transient droop control strategy is investigated. In the proposed method, a linear function of the power and droop coefficient and a transient component are introduced to improve the dynamic performance and power sharing of traditional droop control. The whole control strategy of microgrid, which contains induction motor load, is a combination of adaptive-transient droop control and PQ control based on hierarchical control. The simulation model of microgrid is implemented in PSCAD/EMTDC software. The simulation results verify the correctness of the proposed adaptive-transient droop control and the effectiveness of the microgrid control strategy.

microgrid; induction motor load; PQ control; improved droop control; PSCAD/EMTDC

10.7667/PSPC151631

：2016-01-27

唐昆明(1959-)，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與綜合自動化等；

王俊杰(1991-)，男，通信作者, 碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)綜合控制； Email: cquwjj@163.com

張?zhí)?1966-)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)榕潆娮詣踊?/p>